Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

Факультет Автомобильного транспорта

Кафедра «Автомобильный транспорт»

Семестровая работа

по дисциплине «Сертификация транспортных средств»

На тему: «Обеспечение безопасного уровня рулевого управления »

Выполнил: ст. гр. АТ – 500

Джавадов А.А.

Проверил: Шустов А.В.

Волгоград 2013

Введение………………………………………………………………...…………3

1. Назначение рулевого управления……………………………………………..5

2. Конструкция рулевого управления……………………………………………7

3.Основные типы рулевых механизмов и приводов……………………………9

3.1.Рулевой механизм…………………………………………………………..9

3.2.Рулевой привод……………………………………………………………10

4. Перспективы и недостатки развития рулевого управления………………..12

4.1 Гидроусилитель рулевого управления (ГУР)…………………………...12

4.2 Электороусилитель…………………………………………………..……14

4.3 Преимущества и недостатки………………………………………..……15

5.Травмобезопасный рулевой механизм……………………………………….17

6. Технические требования к рулевому управлению по ГОСТ Р 41.12-2001..18

Заключение……………………………………………………………………….22

Список использованных источников…………………………………………...23

Введение

Потребность людей в необходимости ускоренного перемещения по земле привела человечество к созданию различных машин и механизмов, наиболее удобным и любимым из которых стал автомобиль.

Слово ”автомобиль” означает “самодвижущаяся повозка”, хотя в современном понимании автомобилями принято называть только средства передвижения, оснащенные автономными двигателями (внутреннего сгорания, электрическими, паровыми).

Интересную историю развития прошел рулевой механизм автомобиля. Сейчас никого не удивишь его месторасположением - для правостороннего движения - слева, для левостороннего - справа. Но такое расположение рулевого колеса определилось не сразу. Строгое деление проезжей части на левую и правую стороны движения возникло только в XX веке, а на улицах с не слишком оживленным движением продолжали ездить как придется. Вплоть до 60-х годов XX века не было отдано предпочтения движению по определенной стороне улицы. Англия, ее бывшие колонии, Япония до сих пор придерживаются левого, Швеция перестроилась слева направо лишь в 1967 году, Австрия, Венгрия и Чехословакия - в 30-х годах. В Милане ездили по левой стороне, а на остальной территории Италии - по правой. При таком разнообразии правил не могло быть единого взгляда на расположение руля. Когда же вместо рычага появилась рулевая колонка, которая должна была находиться непосредственно перед водителем, конструкторы проявили единодушие - руль устанавливать только справа. Именно поэтому руль, практически у всех первых автомобилей, находился справа. Особый интерес вызывают методы управления первыми автомобилями ХХ века. Рабочее место водителя содержало такое большое количество всевозможных ручек и рычагов управления, что не мудрено было запутаться в них. Одних только тормозных рычагов было три - на трансмиссионный вал, на задние колеса и на так называемый "горный упор" - остроконечный стержень, который опускали на дорогу при движении на подъем, так как тормоза на уклоне автомобиль не удерживали (прообраз современного "стояночного тормоза"). Можно ли дотянуться до рычага, удобно ли ими пользоваться - конструктора это мало интересовало. Рычаг устанавливали там, где этого требовала конструкция. Тем самым водителя обрекали на акробатические движения. Но это длилось не долго. Автомобилей становилось больше, появилась возможность выбора, и уже не все водители были согласны на такую "акробатику". Было бы логичным сосредоточить рычаги и ручки в одном месте, поближе к рукам водителя. Таким местом избрали рулевую колонку. Когда ее наклонили (впервые на автомобиле "Латиль" в 1898 году), то управление передачами с колонки уже не получалось. Одновременно обнаружилось, что скопление рычагов и рукояток около рулевого колеса создает путаницу. Часть их заменили педалями.

В начале ХХ века управление автомобилем требовало от водителя хорошей физической формы. Естественным выходом было увеличение в рулевом управлении передаточного числа, но это не давало решение проблемы. В 1925 году американец Фрэнсис Дейвис запатентовал специальное устройство под названием "гидравлический усилитель рулевого управления". Правда, конструкция мгновенного успеха не обрела. Однако принцип и путь совершенствования наметились: с конца 30-х – начала 40-х годов в Америке, а затем и в Европе конструкторы начинают ставить ГУР на некоторые свои модели автомобилей. Сегодня этим устройством оснащается весь грузовой автотранспорт и немалая доля легкового.

1. Назначение рулевого управления

Измене­ние направления движения автомобиля осуществляется поворотом относитель­но его продольной оси управляемых ко­лес, которыми, как правило, являются передние колеса.

Вследствие поворота управляемых ко­лес вектор скорости каждого из них, па­раллельный продольной оси автомоби­ля, перестает совпадать с плоскостью вращения колес. В результате в контак­те колес с дорогой возникают боковые силы, перпендикулярные плоскости вра­щения колес. Эти боковые силы застав­ляют управляемые колеса и автомобиль в целом отклоняться от прямолинейно­го движения и совершать поворот.

Руле­вое управление обеспечивает необходи­мое направление движения автомобиля путем раздельного и согласованного по­ворота его управляемых колес. Сово­купность механизмов, служащих для по­ворота управляемых колес, называется рулевым управлением.

Рулевое управление служит для изменения направления движения автомобиля. При неподвижной передней оси изменение направления движения автомобиля осуществляется поворотом передних управляемых колес.

Рулевое управление со­стоит из рулевого колеса, соединенного валом с рулевым механизмом, и руле­вого привода. Иногда в рулевое упра­вление включен усилитель.

Рулевым механизмом называют замедляющую передачу, преобразующую вращение вала рулевого колеса во вра­щение вала сошки. Этот механизм уве­личивает прикладываемое к рулевому колесу усилие водителя и облегчает его работу.

Рулевым приводом называют систему тяг и рычагов, осуществляющую в сово­купности с рулевым механизмом пово­рот автомобиля.

Для того чтобы при движении автомобиль совершил поворот без бокового скольжения колес, все они должны катиться по дугам разной длины, описанным из центра поворота “ О ” (рис.1). При этом передние управляемые колеса должны поворачиваться на разные углы. Внутреннее по отношению к центру поворота колесо должно поворачиваться на угол альфа-В, наружное - на меньший угол альфа-Н. Это обеспечивается соединением тяг и рычагов рулевого привода в форме трапеции. Основанием трапеции служит балка переднего моста автомобиля, боковыми сторонами являются левый и правый поворотные рычаги, а вершину трапеции образует поперечная тяга, которая соединяется с рычагами шарнирно. К рычагам жестко присоединены поворотные цапфы колес.

Рисунок 1- Схема поворота автомобиля

где:1 -балка переднего моста автомобиля;2 и 4- поворотные рычаги; 3-поперечная тяга;5-поворотные цапфы колес;6-продольная тяга.

2. Конструкция рулевого управления

Расположение и взаимодействие деталей рулевого управления, не имеющего усилителя, можно рассмотреть на схеме (рис.2.а). Здесь рулевой механизм состоит из рулевого колеса, рулевого вала и рулевой передачи, образованной зацеплением червячной шестерни (червяка) с зубчатым стопором, на вал которого крепится сошка рулевого привода. Сошка и все остальные детали рулевого управления: продольная тяга, верхний рычаг левой поворотной цапфы, нижние рычаги левой и правой поворотных цапф, поперечная тяга составляют рулевой привод.

Поворот управляемых колес происходит при вращении рулевого колеса, которое через вал передает вращение рулевой передаче. При этом червяк передачи, находящийся в зацеплении с сектором, начинает перемещать сектор вверх или вниз по своей нарезке. Вал сектора приходит во вращение и отклоняет сошку, которая своим верхним концом насажена на выступающую часть вала сектора. Отклонение сошки передается продольной тяге, которая перемещается вдоль своей оси. Продольная тяга связана через верхний рычаг с поворотной цапфой, поэтому ее перемещение вызывает поворот левой поворотной цапфы. От нее усилие поворота через нижние рычаги и поперечную тягу передается правой цапфе. Таким образом происходит поворот обоих колес.

Управляемые колеса поворачиваются рулевым управлением на ограниченный угол, равный 28-35°. Ограничение вводится для того, чтобы исключить при повороте задевание колесами деталей подвески или кузова автомобиля.

Конструкция рулевого управления очень сильно зависит от типа подвески управляемых колес. При зависимой подвеске передних колес в принципе сохраняется схема рулевого управления, приведенная на (рис. 2.(а)), при независимой подвеске (рис. 2.(б)) рулевой привод несколько усложняется.

Рисунок 2-Схемы рулевого управления:

а) при зависимой подвеске передних колес

где: 1-рулевоя передача; 2-рулевой вал; 3-рулевое колесо; 4- поворотные цапфы; 5и 7-поворотные рычаги; 6-поперечная тяга; 8-продольная тяга; 9 –сошка;

б) при независимой подвеске

где: 1-сошка; 2-поворотные рычаги цапф; 3 и 6- боковые тяги; 4-основная поперечная тяга; 5-маятниковый рычаг.



Данный тип рулевого механизма устанавливается на отдельных легковых автомобилях представительского класса, а также тяжелых грузовых автомобилях и автобусах.

Винтовой рулевой механизм автомобиля включает следующие основные элементы: винт, устанавливаемый на валу рулевого колеса; гайку, перемещающуюся по винту; зубчатую рейку, нарезанную на гайке; зубчатый сектор, соединенный с рейкой; рулевую сошку, расположенную на валу сектора, т. е. в работе механизма участвуют две рабочие пары - винт-гайка и рейка-зубчатый сектор.

Винт и гайка, применяемые в винтовом рулевом механизме, отличаются от обычной винтовой пары тем, что специально выполненные полости между боковыми поверхностями пары заполнены шариками.
Дорожками качения для шариков служат винтовые канавки, выполненные на теле винта и в гайке. При повороте винта шарики циркулируют в гайке по замкнутому кругу, выкатываясь из винтового канала через отверстие с одной стороны гайки и возвращаясь в гайку через обводной канал с противоположной стороны.

Использование циркулирующих шариков позволяет заменить трение скольжения в паре винт-гайка трением качения, что повышает КПД передачи, как в прямом направлении, так и в обратном. Это улучшает условия для стабилизации управляемых колес, но и делает механизм довольно чувствительным к толчкам со стороны дороги. Поэтому для сглаживания ударов должны устанавливаться амортизаторы или усилители рулевого управления.
Глубина винтовой канавки выполняется переменной, а толщина среднего зуба сектора увеличенной по сравнению с другими зубьями для исключения заклинивания рулевого механизма в крайних положениях.

Принципиально работа винтового рулевого механизма мало отличается от работы червячного механизма. Поворот рулевого колеса сопровождается вращением винта, который перемещает сопрягаемую с ним гайку. При этом происходит циркуляция шариков, значительно уменьшающих трение между винтовыми поверхностями.
Гайка посредством зубчатой рейки перемещает зубчатый сектор и с ним рулевую сошку.

Зазор в зацеплении поршня-рейки с сектором вала сошки регулируется путем осевого перемещения вала сошки с помощью специального регулировочного винта.
Зазор в паре винт-гайка не регулируется, поэтому высокая надежность и требуемый срок службы в этом зацеплении обеспечивают путем применения высококачественных легированных сталей.

Винтовой рулевой механизм в сравнении с червячным механизмом имеет больший КПД и способен передавать большие усилия.
Одним из недостатков данной конструкции является сложность подгонки деталей винтовой передачи при использовании в конструкции циркулирующих шариков.



Рулевой механизм автомобиля ЗИЛ-431410

Устройство винтового рулевого механизма автомобиля ЗИЛ-431410 показано на рис. 3 .

Редуктор соединяется с валом рулевого колеса с помощью карданного вала с двумя шарнирами. Картер 3 редуктора отлит из чугуна и имеет нижнюю 1 , промежуточную 9 , верхнюю 14 и боковую 19 крышки.
В картере размещается поршень-рейка 4 , в которой неподвижно установлена шариковая гайка 6 . Шариковая гайка собрана с винтом таким образом, что образуются винтовые канавки, в которые вкладываются шарики 8 .
В паз шариковой гайки, соединенной двумя отверстиями с ее винтовой канавкой, вставляют два штампованных желоба 7 , образующих трубку, по которой шарики, выкатываясь при повороте винта 5 с одного конца гайки, возвращаются к ее другому концу.

Поршень-рейка 4 находится в зацеплении с зубчатым сектором 18 вала 21 сошки, который вращается на запрессованных в картер бронзовых втулках. Осевое перемещение вала сошки производится путем вращения регулировочного винта 20 , головка которого входит в отверстие вала сошки.
При завертывании регулировочного болта уменьшается зазор в зацеплении рейка-зубчатый сектор, увеличивающийся из-за этого момент сопротивления повороту не должен превышать 500 Н . На наружный шлицованный конец вала устанавливается сошка 23 .

При вращении рулевого колеса усилие водителя передается через вал рулевого колеса и карданную передачу на винт 5 . Шариковая гайка 6 перемещается вдоль оси винта, увлекает за собой поршень-рейку 4 , которая производит поворот зубчатого сектора 18 с валом 21 сошки вокруг своей оси.
Усилие от сошки 23 передается на рулевой привод, который поворачивает управляемое колесо.

По аналогичной схеме работают рулевые механизмы автомобилей марок «КамАЗ», «КрАЗ», «МАЗ», «БелАЗ».



В предыдущей статье под названием "", мы с вами разобрались для чего нужен механизм рулевого управления в автомобиле и почему к нему придъявляются такие требования. А теперь давайте рассмотрим разновидности рулевых управлений активно устанавливаемых на современные авто.

Долгое время автомобильные конструкторы и не помышляли о сервоусилителях руля. Невысокие требования к управляемости и комфорту и небольшое пятно контакта сравнительно узких шин позволяли обходиться одной человеческой силой даже в управлении тяжелыми грузовиками. Средство для уменьшения усилия на руле было одно: сделать побольше передаточное отношение привода и диаметр баранки. А с тем, что водителю придется наяривать огромным рулем пять-шесть оборотов от отбоя до отбоя, да и точность управления будет невысокой, приходилось мириться.

Сначала усилители рулевого управления появились на тяжелой технике — карьерных самосвалах. Произошло это в конце 30-х годов, перед войной. Правда, сначала стали использовать пневмоусилители — они были несложными и запитывались от компрессора или впускного коллектора . Но гидравлика, хотя была сложнее и дороже пневматики, работала тише и точнее. На ней и остановились конструкторы легковых автомобилей. В 1951 году серийные автомобили Chrysler Crown Imperial стали впервые оснащать гидравлическими усилителями Hydraguide в качестве стандартного оборудования. А в Европе в 1954 году гидроусилителем обзавелся Citroen DS 19.

Рулевой механизм.
Механизм рулевого управления служит для увеличения и передачи на рулевой привод усилия, прилагаемого водителем к рулевому колесу. В легковых автомобилях в основном применяются рулевые механизмы червячного и реечного типа. К достоинствам механизма «червяк-ролик» относятся: низкая склонность к передаче ударов от дорожных неровностей, большие углы поворота колес, возможность передачи больших усилий. Недостатками являются большое количество тяг и шарнирных сочленений с вечно накапливающимися люфтами, «тяжелый» и малоинформативный руль. Минусы в итоге оказались весомее плюсов. На современных автомобилях такие устройства практически не применяют.

Самый распространенный на сегодняшний день - реечный рулевой механизм. Малая масса, компактность, невысокая цена, минимальное количество тяг и шарниров - все это обусловило широкое применение. Механизм «шестерня-рейка» идеально подходит для переднеприводной компоновки и , обеспечивая большую легкость и точность рулевого управления. Однако тут есть и минусы: из-за простоты конструкции любой толчок от колес передается на руль. Да и для тяжелых машин такой механизм не совсем подходит.

Рулевой привод.

Рулевой привод предназначен для передачи усилия от рулевого механизма на управляемые колеса, обеспечивая при этом их поворот на неодинаковые углы. Если оба колеса повернуты на одинаковую величину, внутреннее колесо будет скрестись по дороге (скользить боком) что будет снижать эффективность рулевого управления. Это скольжение, которое также создает дополнительный нагрев и износ колеса, может быть устранено с помощью поворота внутреннего колеса на больший угол, чем угол поворота внешнего колеса. При движении на повороте каждое из колес описывает свою окружность отличную от другой, причем внешнее (дальнее от центра поворота) колесо движется по большему радиусу, чем внутреннее. А так как центр поворота у них общий, то соответственно внутреннее колесо необходимо повернуть на больший угол, чем внешнее. Это обеспечивается конструкцией так называемой «рулевой трапеции», которая включает в себя поворотные рычаги и рулевые тяги с шарнирами. Необходимое соотношение углов поворота колес обеспечивается подбором угла наклона рулевых рычагов относительно продольной оси автомобиля и длины рулевых рычагов и поперечной тяги.

- Рулевой механизм червячного типа состоит из:
- рулевого колеса с валом,
- картера червячной пары,
- пары «червяк-ролик»,
- рулевой сошки.

В картере рулевого механизма в постоянном зацеплении находится пара «червяк-ролик». Червяк есть ни что иное, как нижний конец рулевого вала, а ролик, в свою очередь, находится на валу рулевой сошки. При вращении рулевого колеса ролик начинает перемещаться по винтовой нарезке червяка, что приводит к повороту вала рулевой сошки. Червячная пара, как и любое другое зубчатое соединение, требует смазки, и поэтому в картер рулевого механизма заливается масло, марка которого указана в инструкции к автомобилю. Результатом взаимодействия пары «червяк-ролик» является преобразование вращения рулевого колеса в поворот рулевой сошки в ту или другую сторону. А далее усилие передается на рулевой привод и от него уже на управляемые (передние) колеса. В современных автомобилях применяется безопасный рулевой вал, который может складываться или ломаться при ударе водителя о рулевое колесо во время аварии во избежание серьезного повреждения грудной клетки.

Рулевой привод, применяемый с механизмом червячного типа включает в себя:
- правую и левую боковые тяги,
- среднюю тягу,
- маятниковый рычаг,
- правый и левый поворотные рычаги колес.

Каждая рулевая тяга на своих концах имеет шарниры, для того чтобы подвижные детали рулевого привода могли свободно поворачиваться относительно друг друга и кузова в разных плоскостях.

- Рулевом механизме «шестерня - рейка».

Данный рулевой механизм усилие к колесам передает с помощью прямозубой или косозубой шестерни, установленной в подшипниках, и зубчатой рейки, перемещающейся в направляющих втулках. Для обеспечения беззазорного зацепления рейка прижимается к шестерне пружинами. Шестерня рулевого механизма соединяется валом с рулевым колесом, а рейка — с двумя поперечными тягами, которые могут крепиться в середине или по концам рейки. Данные механизмы имеют небольшое передаточное число, что дает возможность быстро поворачивать управляемые колеса в требуемое положение. Полный поворот управляемых колес из одного крайнего положения в другое осуществляется за 1,75...2,5 оборота рулевого колеса.

Одной из основных систем, обеспечивающих безопасность передвижения на автомобиле, является рулевое управление. Назначение рулевого управления автомобиля - возможность менять направление движения, совершать повороты и маневры при объезде препятствий или обгоне. Эта составляющая также важна, как и тормозная система. Доказательством тому является предписание ПДД, эксплуатация автомобиля с неисправными указанными механизмами категорически запрещена.

Особенности узла и конструкция

На автомобилях используется кинематический способ смены направления движения, подразумевающий, что осуществление поворота происходит за счет смены положения управляемых колес. Обычно управляемой является передняя ось, хотя существуют и авто с так называемой системой подруливания. Особенность работы в таких авто заключается в том, что колеса задней оси тоже поворачиваются при изменении направления, хоть и на меньший угол. Но пока эта система широкого распространения не получила.

Помимо кинематического способа на технике используется еще и силовой. Особенность его заключается в том, что для совершения поворота колеса одной стороны притормаживаются, в то время, как с другой стороны они продолжают двигаться с прежней скоростью. И хоть этот способ изменения направления на легковых авто распространения не получил, на них он все же используется, но в несколько ином качестве – как система курсовой устойчивости.

Этот узел автомобиля состоит из трех основных элементов:

• рулевая колонка;
• рулевой механизм;
• привод (система тяг и рычагов);

Рулевой узел

У каждой составляющей – своя задача.

Рулевая колонка

Выполняет передачу вращательного усилия, которое создает водитель для изменения направления. Состоит она из рулевого колеса, располагаемого в салоне (на него и воздействует водитель, вращая его). Оно жестко посажено на вал колонки. В устройстве этой части рулевого управления очень часто используется вал, разделенный на несколько частей, соединенных между собой карданными шарнирами.

Такая конструкция сделана не просто так. Во-первых, это позволяет менять угол положения рулевого колеса относительно механизма, смещать его в определенную сторону, что нередко необходимо при компоновке составных частей авто. В дополнение такая конструкция позволяет повысить комфортабельность салона – водитель может менять положение рулевого колеса по вылету и наклону, обеспечивая максимально удобное его положение.

Во-вторых, составная рулевая колонка имеет свойство «ломаться» в случае ДТП, снижая вероятность травмирования водителя. Суть такова – при фронтальном ударе двигатель может сместиться назад и толкнуть рулевой механизм. Если бы вал колонки был цельным, изменение положения механизма привело бы к выходу вала с рулевым колесом в салон. В случае же со составной колонкой, перемещение механизма будет сопровождаться всего лишь изменением угла одной составляющей вала относительно второй, а сама колонка остается неподвижной.

Рулевой механизм

Предназначен для преобразования вращения вала рулевой колонки в поступательные движения элементов привода.

Наибольшее распространение на легковых автомобилях получили механизмы типа «шестерня-зубчатая рейка». Ранее же использовался еще один вид – «червяк-ролик», который сейчас в основном используется на грузовых авто. Еще один вариант для грузовиков – «винтовой».

«шестерня-рейка»

Распространение тип «шестерня-рейка» получил благодаря сравнительно простому устройству рулевого механизма. Состоит этот конструктивный узел из трех основных элементов – корпус, в котором размещается шестерня и перпендикулярно ей – рейка. Между двумя последними элементами имеется постоянное зубчатое зацепление.

Работает этот вид механизма так: шестерня жестко связана с рулевой колонкой, поэтому она вращается вместе с валом. Из-за зубчатого соединения вращение передается на рейку, которая при таком воздействии смещается внутри корпуса в ту или иную сторону. Если водитель вращает рулевое колесо влево, взаимодействие шестерни с рейкой приводит к тому, что последняя перемещается вправо.

Зачастую на авто применяются механизмы «шестерня-рейка» с фиксированным передаточным числом, то есть диапазон поворота рулевого колеса для изменения угла колес одинаков при всех их положениях. Для примера, предположим, что для поворота колес на угол 15° необходимо сделать 1 полный оборот руля. Так вот, неважно, в каком положении находятся управляемые колеса (крайнее, прямолинейное), для поворота на указанный угол придется сделать 1 оборот.

Но некоторые автопроизводители устанавливают на свои авто механизмы с меняющимся передаточным числом. Причем достигается это достаточно просто – изменением угла положения зубьев на рейке в определенных зонах. Эффект от этой доработки механизма такой: если колеса стоят прямо, то для изменения их положения на те же 15° (пример) требуется 1 оборот. Но если они находятся в крайнем положении, то из-за измененного передаточного числа, колеса повернуться на указанный угол уже через пол-оборота. В результате диапазон поворота руля «от края до края» значительно меньше, чем в механизме с фиксированным передаточным числом.

Рейка с переменным передаточным числом

Помимо простоты устройства тип «шестерня-рейка» используется еще потому, что в такой конструкции возможна реализация исполнительных механизмов гидроусилителя (ГУР) и электроусилителя (ЭУР), а также электрогидравлического (ЭГУР).

«червяк-ролик»

Следующий тип – «червяк-ролик», менее распространен и на легковых авто сейчас практически не используется, хотя его можно встретить на автомобилях ВАЗ классического семейства.

В основе этого механизма положена червячная передача. Представляет червяк собой винт с резьбой особого профиля. Этот винт располагается на валу, соединенном с рулевой колонкой.

С резьбой этого червяка контактирует ролик, соединенный с валом, на который посажена сошка – рычаг, взаимодействующий с элементами привода.

Червячный рулевой механизм

Суть работы механизма такова: при вращении вала, винт вращается, что приводит к продольному перемещению ролика по его резьбе. А поскольку ролик установлен на валу, то это смещение сопровождается поворотом последнего вокруг своей оси. Это в свою очередь приводит к полукруговому движению сошки, которая и воздействует на привод.

От механизма типа «червяк-ролик» на легковых авто отказались в пользу «шестерни-рейки» из-за невозможности интегрировать в него гидроусилитель (на грузовых авто он все же имелся, но исполнительный механизм был вынесенным), а также достаточно сложной конструкции привода.

Винтовой тип

Конструкция винтового механизма – еще сложнее. В ней также имеется винт с резьбой, но контактирует он не с роликом, а со специальной гайкой, на внешней стороне которой нанесен зубчатый сектор, взаимодействующий с таким же, но сделанным на валу сошки. Также существуют механизмы с промежуточными роликами между гайкой и зубчатым сектором. Принцип же действия такого механизма практически идентичен червячному – в результате взаимодействия вал проворачивается и тянет сошку, а та в свою очередь – привод.

Винтовой рулевой механизм

На винтовой механизм можно установить гидроусилитель (гайка выполняет роль поршня), но на легковых авто он не применяется из-за массивности конструкции, поэтому и используется он только на грузовиках.

Привод

Привод в конструкции рулевого управления используется для передачи перемещения рейки или сошки на управляемые колеса. Причем в задачу этой составляющей входит изменение положения колес на разные углы. Обусловлено это тем, что колеса при повороте движутся по разным радиусам. Поэтому колесо с внутренней стороны при изменении траектории движения должно поворачиваться на больший угол, чем внешнее.

Конструкция привода зависит от используемого механизма. Так, если на авто используется «шестерня-рейка», то привод состоит всего лишь из двух тяг, соединенных с поворотным кулаком (роль которого выполняет амортизационная стойка) посредством шарового наконечника.

К рейке эти тяги могут крепиться двумя способами. Менее распространенным является жесткая фиксация их болтовым соединением (в некоторых случаях соединение осуществляется через сайлент-блок). Для такого соединения в корпусе механизма проделано продольное окно.

Более распространенный метод соединения тяг – жесткое, но подвижное соединение с концами рейки. Для обеспечения такого соединения на конце обеих тяг сделан шариковый наконечник. Посредством гайки этот шар прижимается к рейке. При передвижении последней тяга меняет свое положение, что и обеспечивает имеющееся соединение.

В приводах, где используется механизм «червяк-ролик», конструкция значительно сложнее и представляет собой целую систему рычагов и тяг, получивших называние рулевой трапеции. Так, к примеру, на ВАЗ-2101 привод состоит из двух боковых тяг, одной средней, маятникового рычага и поворотных кулаков с рычагами. При этом для обеспечения возможности изменения угла положения колеса поворотный кулак крепиться к рычагам подвески при помощи двух шаровых опор (верхней и нижней).

Большое количество составных элементов, а также соединений между ними делает такой тип привода более подверженным износу и возникновению люфтов. Этот факт - еще одна причина отказа от червячного механизма в пользу реечного.

«Обратная связь»

Стоит отметить, что в рулевом механизме существует еще и так называемая «обратная связь». Водитель не только воздействует на колеса, а посредством ее же получает информацию об особенностях движения колес по дороге. Проявляется это в виде вибраций, рывков, создания определенно направленных усилий на руле. Эта информация считается очень важной для правильной оценки поведения авто. Доказательством тому является тот факт, что в авто, оснащаемых ГУР и ЭУР, конструкторы сохранили «обратную связь».

Передовые разработки

Этот узел продолжают совершенствовать, так самыми последними достижениями являются системы:

• Активного (динамического) рулевого управления. Она позволяет изменять передаточное число механизма в зависимости от скорости автомобиля. Также выполняет и дополнительную функцию – корректировка угла передних колес в поворотах и при торможении на скользкой дороге.
• Адаптивного рулевого управления (управление по проводам). Это самая новая и перспективная система. В ней отсутствует прямая связь между рулем и колесами, всё работает за счёт датчиков и исполнительных устройств (сервоприводов). Большое распространение система ещё не получила по причине психологического и экономического факторов.

Система «рули по проводам»

Заключение

В целом механизм является достаточно надежным узлом, не требующим никакого обслуживания. Но при этом эксплуатация рулевого управления автомобиля подразумевает проведение своевременной диагностики для выявления неисправностей.

Конструкция этого узла состоит из множества элементов с подвижными соединениями. А где такие соединения есть, со временем из-за износа контактирующих элементов, в них появляются люфты, которые в значительной мере могут повлиять на управляемость авто.

Сложность диагностики рулевого управления зависит от его конструктивного исполнения. Так в узлах с механизмом «шестерня-рейка» соединений, которые необходимо проверять не так уж и много: наконечники, зацепление шестерни с рейкой, карданы рулевой колонки.

А вот с червячным механизмом из-за сложной конструкции привода точек диагностики значительно больше.

Что касается ремонтных работ при нарушении работоспособности узла, то наконечники при сильном износе просто заменяются. В рулевом механизме на начальном этапе люфт удается убрать регулировкой зацепления, а если это не помогло – переборкой узла с использованием ремкомплектов. Карданы колонки, как и наконечники – просто заменяются.

Autoleek

Существует несколько типов рулевого механизма Вам известно, что при повороте руля поворачиваются колеса автомобиля. Но между поворотом руля и поворотом колес происходят определенные действия.

В этой статье мы рассмотрим особенности двух наиболее распространенных типов рулевого механизма: реечный рулевой механизм и рулевой механизм с шариковой гайкой. Также мы расскажем о рулевом управлении с гидроусилителем и узнаем об интересных технологиях развития систем рулевого управления, позволяющих сократить расход топлива. Но, прежде всего, мы рассмотрим, как происходит поворот. Не все так просто, как может показаться.

Поворот автомобиля

Возможно, Вы удивитесь, узнав, что при повороте колеса на передней оси проходят по различной траектории.

Для обеспечения плавного поворота, каждое колесо должно описать разную окружность. В связи с тем, что внутреннее колесо описывает колесо меньшего радиуса, оно совершает более крутой поворот, чем внешнее. Если провести перпендикуляр к каждому колесу, линии будут пересекаться в центральной точке поворота. Геометрия поворота заставляет внутреннее колесо поворачиваться сильнее, чем внешнее.

Существует несколько типов рулевого механизма. Наиболее распространенными являются реечный рулевой механизм и рулевой механизм с шариковой гайкой.

Реечный рулевой механизм

Реечный рулевой механизм широко используется в легковых автомобилях, грузовиках малой грузоподъемности и внедорожниках. Фактически, этот механизм довольно прост. Реечные шестерни расположены в металлической трубке, с каждой стороны которой выступает рейка. Рулевой наконечник соединяется с каждой стороной рейки.

Ведущая шестерня сопряжена с валом рулевого механизма. Когда Вы поворачиваете руль, шестерня начинает вращаться и приводит рейку в движение. Рулевой наконечник на конце рейки соединяется с рулевой сошкой на шпинделе (см. рисунок).

Функции зубчатой рейки с шестерней заключаются в следующем:

• Она преобразует вращательное движение рулевого колеса в прямолинейное движение, необходимое для поворота колес.
• Она обеспечивает передаточное отношение для облегчения поворота колес.

Большинство автомобилей устроены так, что потребуется от трех до четырех полных оборотов руля, чтобы развернуть колеса от упора до упора.

Передаточное отношение рулевого механизма - это отношение градуса поворота руля к градусу поворота колес. Например, если один полный оборот руля (360 градусов) поворачивает колесо на 20 градусов, тогда передаточное отношение рулевого механизма составляет 18:1 (360 разделить на 20). Чем выше отношение, тем больше градус поворота руля. При этом, чем выше отношение, тем меньше усилий требуется приложить.

Как правило, у легких спортивных автомобилей передаточное отношение рулевого механизма ниже, чем у крупных автомобилей и грузовиков. При низком передаточном отношении у рулевого механизма более быстрый отклик, поэтому Вам не нужно с усилием крутить руль чтобы выполнить поворот. Чем меньше автомобиль, тем меньше его масса, и, даже при низком передаточном отношении, не требует прилагать дополнительное усилие для поворота.

Также существуют автомобили с переменным передаточным отношением рулевого механизма. В этом случае у зубчатой рейки с шестерней разный шаг зубьев (число зубьев на дюйм) в центре и по бокам. В результате, автомобиль реагирует на поворот руля быстрее (рейка расположена ближе к центру), а также снижается усилие при повороте руля до упора.

Реечный рулевой механизм с усилителем

При наличии реечного рулевого механизма с усилителем, рейка имеет немного другую конструкцию.
Часть рейки включает цилиндр с поршнем посередине. Поршень соединен с рейкой. С обеих сторон поршня имеются два отверстия. Подача жидкости под высоким давлением на одну из сторон поршня приводит поршень в движение, он поворачивает рейку, обеспечивая усиление рулевого механизма.

Рулевой механизм с шариковой гайкой

Рулевой механизм с шариковой гайкой можно встретить на многих грузовиках и внедорожниках. Данная система немного отличается от реечного механизма.

Рулевой механизм с шариковой гайкой включает червячную передачу. Условно червячную передачу можно разделить на две части. Первая часть представляет собой металлически блок с резьбовым отверстием. Данный блок имеет зубья с наружной стороны, которые сопрягаются с шестерней, которая приводит в движение рулевую сошку (см. рисунок). Рулевое колесо соединено с резьбовым стержнем, похожим на болт, установленным в резьбовое отверстие блока. Когда рулевое колесо вращается, болт поворачивается вместе с ним. Вместо того, чтобы вкручиваться в блок, как обычные болты, этот болт закреплен так, что, когда он вращается, он приводит в движение блок, который, в свою очередь, приводит в движение червячную передачу.


Болт не соприкасается резьбой с блоком, поскольку она заполнена шарикоподшипниками, циркулирующими по механизму. Шариковые подшипники используются для двух целей: Они снижают трение и износ передачи, а также снижают загрязнение механизма. Если в рулевом механизме не будет шариков, на какое-то время зубья не будут соприкасаться друг с другом и Вы почувствуете что руль потерял жесткость.

Гидроусилитель в рулевом механизме с шариковой гайкой функционирует точно так же, как и в реечном рулевом механизме. Усиление обеспечивается подачей жидкости под высоким давлением на одну из сторон блока.

Гидроусилитель руля

Помимо самого рулевого механизма, гидроусилитель включает несколько основных компонентов.

Насос

Пластинчатый насос снабжает рулевой механизм гидравлической энергией (см. рисунок). Двигатель приводит насос в действие при помощи ремня и шкива. Насос включает утапливаемые лопатки, вращающиеся в камере овальной формы.

При вращении лопатки выталкивают гидравлическую жидкость низкого давления из обратной магистрали в выпускное отверстие под высоким давлением. Сила потока зависит от количества оборотов двигателя автомобиля. Конструкция насоса обеспечивает необходимый напор даже на холостых оборотах. В результате, насос перемещает большее количество жидкости при работе двигателя на более высоких оборотах.

Насос имеет предохранительный клапан, обеспечивающий надлежащее давление, что особенно важно при высоких оборотах двигателя, когда подается большой объем жидкости.

Поворотный клапан

Гидроусилитель должен помогать водителю только при приложении силы к рулевому колесу (при повороте). При отсутствии усилия (например, при движении по прямой), система не должна обеспечивать помощь. Устройство, определяющее приложение силы к рулевому колесу, называется поворотный клапан.

Основным компонентом поворотного клапана является торсион. Торсион представляет собой тонкий металлический стержень, который поворачивается под действием крутящего момента. Верхний конец торсиона соединен с рулевым колесом, а нижний с шестерней или червячной передачей (которая поворачивает колеса), при этом крутящий момент торсиона равен крутящему моменту, прилагаемого водителем для поворота колес. Чем выше прилагаемый крутящий момент, тем больше поворот торсиона. Входная часть вала рулевого механизма формирует внутреннюю часть поворотного клапана. Также он соединен с верхней частью торсиона. Нижняя часть торсиона соединена с внешней частью поворотного клапана. Торсион также вращает шестерню рулевого механизма, соединяясь с ведущей шестерней или червячной передачей, в зависимости от типа рулевого механизма.

При повороте торсион вращает внутреннюю часть поворотного клапана, внешняя часть при этом остается неподвижной. В связи с тем, что внутренняя часть клапана также соединена с рулевым валом (и, следовательно, с рулевым колесом), количество оборотов внутренней части клапана зависит от крутящего момента, прилагаемого водителем.

Когда руль неподвижен, обе гидравлические трубки обеспечивают равное значение давления на шестерню. Но при повороте клапана каналы открываются для подачи жидкости под высоким давлением к соответствующей трубке.

Практика показала не самую высокую эффективность такого типа усилителя рулевого управления.

Инновационные усилители руля

В связи с тем, что насос рулевого механизма с гидроусилителем на большинстве автомобилей непрерывно перекачивает жидкость, он расходует мощность и топливо. Логично рассчитывать на ряд нововведений, которые позволят повысить экономию топлива. Одной из самых удачных идей является система с компьютерным управлением. Эта система полностью исключает механическую связь между рулевым колесом и рулевым механизмом, заменяя ее электронной системой управления.

Фактически руль работает так же, как руль для компьютерных игр. Руль будет оснащен датчиками для подачи автомобилю сигналов о направлении движения колес и моторами, обеспечивающими отклик на действия автомобиля. Выходные данные таких датчиков будут использоваться для управления рулевым механизмом с электроприводом. В этом случае устраняется необходимость наличия рулевого вала, что увеличивает свободное пространство в моторном отсеке.

General Motors представила концепт-кар Hy-wire, на котором уже установлена такая система. Отличительной особенностью такой системы с электронным управлением от GM является то, что Вы можете сами настроить управляемость автомобиля с помощью нового компьютерного программного обеспечения без замены механических компонентов. В автомобилях с электронным управлением будущего Вы сможете подстроить систему контроля под себя нажатием лишь нескольких кнопок. Все очень просто! За последние пятьдесят лет система рулевого управления не сильно изменились. Но в следующем десятилетии наступит эпоха более экономичных автомобилей